尋找“隱藏的光子”
——歐洲科學(xué)家設(shè)計(jì)新的搜索暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)
來(lái)源：科技日?qǐng)?bào) 2014-10-16 陳丹
以前是一個(gè)宇宙射線觀測(cè)站的原型，現(xiàn)在變身成為科學(xué)家用來(lái)搜尋暗物質(zhì)的工具——德國(guó)科學(xué)家與歐洲其他研究機(jī)構(gòu)合作，準(zhǔn)備用一面巨大的球形金屬鏡來(lái)尋找“隱藏的光子（hidden photons）”。這些迄今為止尚未被人類看見過的奇異光子是普通光子的表兄弟，科學(xué)家認(rèn)為它們也屬于暗物質(zhì)。
目標(biāo)：隱藏的光子
宇宙中大約85%物質(zhì)都是看不見的神秘暗物質(zhì)。大部分暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)都在試圖探測(cè)超對(duì)稱理論預(yù)言的弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMPs），它們只通過弱核力和重力與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，是暗物質(zhì)最有希望的候選者。WIMP探測(cè)器通常都位于地下深處，其捕捉目標(biāo)就是假定粒子與原子核之間碰撞產(chǎn)生的微弱能量。然而，從首次開展這類實(shí)驗(yàn)至今，大約20多年過去了，還沒有一個(gè)弱相互作用大質(zhì)量粒子被明確地探測(cè)到。
而隱藏的光子是由粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一些擴(kuò)展理論預(yù)測(cè)的。不同于弱相互作用大質(zhì)量粒子，它們與普通物質(zhì)會(huì)相互發(fā)生電磁作用。隱藏的光子擁有一個(gè)非常小的質(zhì)量，根據(jù)預(yù)測(cè)，它們也會(huì)通過一個(gè)類似于中微子振蕩的過程轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ü庾印Ｓ^察這種振蕩需要依靠對(duì)極微弱的電磁信號(hào)非常敏感的探測(cè)器，雖然實(shí)驗(yàn)很困難，但已經(jīng)有幾個(gè)項(xiàng)目建成了或正在醞釀中。
“過去幾年來(lái)，（科學(xué)家）對(duì)隱藏的光子的興趣與日俱增。”加州大學(xué)歐文分校的喬納森•馮說(shuō)，部分原因在于，搜索其他的暗物質(zhì)候選者的實(shí)驗(yàn)都“一無(wú)所獲”。物理學(xué)家們也意識(shí)到，可以嘗試建立許多不同種類的實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)隱藏的光子。
德國(guó)電子同步加速器研究所的巴貝特•多布里奇就是其中的一員。
工具：巨大的球形金屬鏡
據(jù)《物理世界》雜志網(wǎng)站10月13日?qǐng)?bào)道，多布里奇和他在研究所的同事正與來(lái)自卡爾斯魯厄理工學(xué)院和歐洲其他一些機(jī)構(gòu)的同行合作，使用一個(gè)球形金屬鏡的一部分，來(lái)尋找隱藏的光子。
這一想法是由德國(guó)物理學(xué)家在2012年發(fā)表的一篇名為《用碟形天線搜尋飄渺的冷暗物質(zhì)》的論文中提出的。該方案建立在隱藏的光子會(huì)與電子互動(dòng)——盡管這種互動(dòng)有氣無(wú)力——的基礎(chǔ)上，當(dāng)這些光子撞擊一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致其組成電子發(fā)生振蕩，振蕩產(chǎn)生的普通光子會(huì)與導(dǎo)體表面呈直角被發(fā)射出來(lái)。
球面鏡是探測(cè)這種光的理想工具，因?yàn)榘l(fā)射出的光子將集中在球體的中心，而任何背景光都會(huì)被鏡面反彈回去，并穿過位于球體表面和中心之間的焦點(diǎn)。放置在球體中心的接收裝置如果能夠調(diào)諧到與暗物質(zhì)產(chǎn)生的光子相同頻率（頻率與進(jìn)入的隱藏光子的質(zhì)量有關(guān)）的話，就會(huì)將這些光子搜集起來(lái)，同時(shí)雜散電磁波則被盡可能地屏蔽在鏡子和接收器之外。
幸運(yùn)的是，多布里奇的團(tuán)隊(duì)就有這樣一面現(xiàn)成的理想鏡子——位于卡爾斯魯厄理工學(xué)院、建造皮埃爾•奧格天文臺(tái)時(shí)用于測(cè)試的一個(gè)13平方米的鋁鏡。這面鋁鏡的36個(gè)組成部分都經(jīng)過調(diào)節(jié)，以使聚焦波的光點(diǎn)直徑最小化。他們還在開展實(shí)驗(yàn)的屏蔽室中測(cè)量了背景輻射。而接收器的初始配置最有可能是一組用于測(cè)量可見光的低噪聲光電倍增管，對(duì)應(yīng)于質(zhì)量約為1電子伏的隱藏光子；還有一個(gè)選擇則是千兆赫茲輻射接收器，對(duì)應(yīng)的是質(zhì)量小于0.001電子伏的隱藏光子，但這種接收器需要更嚴(yán)密的屏蔽。
優(yōu)勢(shì)：探測(cè)頻率范圍更廣
多布里奇團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)暫時(shí)命名為FUNK，但他們不是第一個(gè)尋找隱藏的光子的團(tuán)隊(duì)。
自2011年以來(lái)，歐洲核子研究中心共振WISP搜尋項(xiàng)目就一直在運(yùn)行，隱藏的光子和其他低質(zhì)量暗物質(zhì)粒子如軸子，都是他們的尋找目標(biāo)。此外還有華盛頓大學(xué)的軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，雖然正如其名稱所暗示的，該設(shè)施的主要任務(wù)是探測(cè)軸子，但它同樣可以探測(cè)是否存在相互作用極其微弱的隱藏的光子。
多布里奇表示，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，F(xiàn)UNK項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)在于，它可以在相當(dāng)廣泛的頻率跨度范圍內(nèi)工作——至于有多廣，這取決于適當(dāng)?shù)碾姶盘綔y(cè)器以及鋁鏡的性能。
歐核中心的弗里茨•卡斯珀稱贊FUNK的設(shè)計(jì)“非常漂亮”，但他擔(dān)心在實(shí)踐中屏蔽電磁對(duì)鏡子的干擾將會(huì)很難。“細(xì)節(jié)決定成敗。”他說(shuō)。他也奇怪，為什么多布里奇的團(tuán)隊(duì)不“直接”利用射電望遠(yuǎn)鏡尋找射頻輻射，射電望遠(yuǎn)鏡的碟形天線直徑可達(dá)百米，可他們卻選擇了一面更小的鏡子。對(duì)此，多布里奇指出，就光學(xué)測(cè)量而言，他們的鏡子是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。
